江 帆， 张晓燕, 关 璐， 卢光跃

(西安邮电大学 通信与信息工程学院 ，陕西 西安 710121)

一种适用于698～806MHz频段的认知MAC协议

江 帆， 张晓燕, 关 璐， 卢光跃

(西安邮电大学 通信与信息工程学院 ，陕西 西安 710121)

针对广播系统与认知系统共存场景下的认知用户接入问题，提出一种适用于698～806MHz频段的认知MAC协议。该协议以分布式的方式对授权信道侦听，认知用户之间以协调的方式共享信道侦听结果，并采用基于竞争的方式接入空闲授权信道。利用蒙特卡洛仿真方法对所提出的协议进行了仿真。仿真结果表明，与传统MAC协议相比，该协议能够有效提高授权频段的频谱利用率，提升系统性能。

认知无线网络;动态频谱接入;689～806MHz;媒体接入控制

未来无线网络需要满足用户不断增长的高速和多样化的数据需求。以IMT-Advanced系统为例，标准化组织建议其系统需求为：下行峰值速率达1 Gbps，上行峰值速率达500 Mbps，带宽为100 MHz[1]。如此大的带宽需求使得频谱的有限性与频谱的海量需求之间的矛盾越来越突出。

为了解决频谱资源匮乏，提高频谱的利用率，认知无线电的概念被提出[2]。在基于认知无线电的认知无线网络中，具有认知功能的无线设备可以机会式地工作在已授权的频带内，这些用户称为认知用户(Secondary User ,SU)；同时，认知用户接入授权频段不能对授权频段内的主用户(Primary user)的通信造成干扰。认知用户通过在空域、时域、频域中对授权频段进行感知，并发现其中可被利用的频谱资源，将收发机的频率调整到已授权的空闲频段通信。因而，认知无线网络中认知用户的频谱接入属于动态频谱接入方式。

尽管动态频谱接入的原理较简单，但要设计高效的媒体接入协议(Medium Access Control , MAC)，则面临较大的挑战。MAC协议是一种实现频谱资源管理的重要技术，其设计对于认知无线网络的性能发挥起到举足轻重的作用[3]。在相关的研究中，Shashi[4]提出了一种无线网状网与Ad Hoc网络中的认知MAC协议，研究了如何在多信道场景下的对授权频谱感知并接入的问题。Timmers[5]提出了多跳场景下的基于节能的分布式多信道MAC协议，通过两种不同的授权信道检测机制来有效的减小认知用户的能量消耗，并获得授权频谱的接入机会。在认知无线网络中，由于授权频谱的信道状态不断发生变化，因此要求MAC协议必须能结合授权频谱的使用状况，及时感知空闲频谱机会，动态接入空闲频谱。

本文首先对于目前所研究的认知无线网络中的媒体接入协议进行概况总结，结合某地区698～806 MHz的频段占用度测试数据，提出一种适用于698～806 MHz的认知MAC协议。

1 媒体接入控制协议概述

认知无线网络中MAC协议[6]如图1所示，根据协议的复杂度、协议架构、数据传输及信令交互方式等因素的不同，认知无线网络中的MAC协议可以分为两大类：基于直接接入的MAC协议(Direct Access Based, DAB)和基于动态频谱分配的MAC协议(Dynamic Spectrum Allocation, DSA)。在DAB协议中，为了保证单一收发节点对的最优资源配置，无线频谱的接入和分配都是基于单节点来进行的；与之相反，为了保证网络的整体性能，DSA则采用不同优化算法来分配整个网络的频谱资源，从而达到网络整体的资源优化配置。

图1 认知无线网络中的MAC协议

2 一种新的认知MAC协议架构

2.1 某地区698～806MHz频段频谱占用度

图2分别给出了不同的测试时间段内，某地区698～806 MHz频段的频谱占用度情况。在我国，698～806 MHz频段是广播电视系统所分配的频段，主要应用有模拟和数字电视与广播[7]。从图2中可以看出同一测量地点不同时间内的授权频谱占用度变化差异较大，特别是在800 MHz左右频段，在早上9:00-10:00频谱的占用度远低于10%，而在下午14:00-15:00频谱的占用度却高达20%。

参照图1，由于698～806 MHz频谱占用度的动态特性，所需的MAC协议需要实时的侦听频谱的占用情况，并根据当前的频谱占用度确定每时隙的接入策略。目前已有的MAC协议中的DSA虽然是基于动态频谱分配策略，但是无法保证MAC协议的实时接入特性，因而无法直接应用于该频段，需要对其加以改进，设计出合适的MAC协议从而保证698～806 MHz频段的认知用户的动态接入。

(a) 9:00～10:00 (b) 14:00～15:00

图2 某地区698～806MHz频段频谱占用度

2.2 MAC协议架构设计

结合图2所示某地区698～806 MHz频段的频谱占用度特点，所研究的广播系统及认知系统共存模型如图3所示。考虑一个包含广播发射塔及若干主用户的广播系统，广播发射塔使用已分配的授权信道对主用户发射广播电视信号(主用户包含：模拟/数字电视用户、无线电收音机等)。在与广播系统共存的认知系统中，包含一个认知基站及若干个认知用户，认知用户之间以自组织的方式通信，也可以接入认知基站。广播系统和认知系统之间各自独立的工作，无信息交互。每个认知用户在接入授权信道前需要侦听授权信道的占用情况，以不影响广播系统的正常通信为前提，以机会式的方式接入未被使用的授权信道。一旦认知用户检测到广播系统需要在授权信道发射信号，则认知用户立即腾空信道从而保证广播系统的正常工作。

图3 广播系统及认知系统共存模型

参照DSA协议动态频谱接入的特点，并考虑到698～806 MHz频段所需MAC协议的实时性特性，图4描述了所提出的适用于698～806 MHz频段的认知MAC协议的原理。假设该频段可以划分为N+1条授权信道，且不同信道上的数据传输彼此不干扰。定义其中一条信道作为公共控制信道(Common Control Channel ,CCC)，主要用来广播授权信道的使用状况。对于剩下的N条信道，每条信道的长度固定，并且其工作状态可以模拟为占用/空闲状态。其中占用状态表示在某时隙该信道已被广播系统使用，而空闲状态则表示某时隙该信道空闲。假设若干个认知用户以不干扰到广播系统的正常通信为前提，在信道处于空闲状态时以机会式的方式接入信道。另外，认知用户与广播系统之间是时间同步的。每个认知用户装配两套收发器，其中一个工作在公共控制信道上，用于侦听N条授权信道的使用状况，另外一个收发器用于认知用户的数据传输。

图4 认知MAC协议原理

在每时隙开始时刻，通过工作在CCC上的收发器，认知用户检测N条信道的使用状况。其中CCC划分为两部分：侦听汇报阶段和竞争阶段。将侦听汇报阶段划分为N个子时隙，与N条授权信道对应。

在侦听汇报阶段，每个认知用户分布式的、在N条信道中随机选择一条信道i，i∈[1,N]进行侦听。通过侦听得到的授权信道占用情况，认知用户记录授权信道的信道侦听结果(Channel sensing result, CSR)。CSR包含了第i条信道的状态信息，它有以下两种取值：(1) 在t时隙，信道i没有被广播系统占用, CSRi(t) = 0，i∈[1,N]; (2) 在t时隙，信道i被广播系统占用, CSRi(t) =1，i∈[1,N]。因此，CSR的取值决定了某一时隙内，某一信道是否空闲。

在侦听汇报阶段的N个子时隙内，每个认知用户根据信道侦听结果在信道对应的子时隙内发送beacon短帧。beacon帧中包含CSR信息。认知用户之间通过彼此交互beacon帧，可以获得相邻用户的信道侦听结果。如果相邻用户侦听的是同一条信道，则在t+1时隙，它们随机选择侦听其它的信道。如果N条授权信道已经全部被侦听过，则通过用户之间交互beacon帧，每个认知用户都可以获得整个广播系统的信道使用状况，从而确定出可接入的空闲信道的分布情况。但是，如果网络中的认知用户的数目较少，则有可能每个认知用户只能获得部分授权信道的状况信息。

根据交互beacon帧所获得的信息，在信道竞争期阶段，认知用户可以采用IEEE 802.11 DCF(Distribute Coordinate Function)机制[8]或者p坚持的载波侦听多址(Carrier Sensing Multiple Access, CSMA)[9]等基于竞争的信道接入方式接入空闲的授权信道。竞争成功到授权信道的认知用户在下一个时隙发送数据，竞争失败的认知用户则可以采用采取相应的退避算法(如二进制指数退避等)之后再次竞争信道。可以看出，所提出的MAC协议以分布式的方式对授权信道的侦听，从而获得授权所实时占用情况；认知用户之间以协调的方式共享信道侦听结果，采用动态的基于竞争的方式接入的空闲授权信道。与已有的MAC协议相比，能够实时动态的接入未被使用的广电频段频谱，提高授权频段频谱利用率，提升认知用户的接入性能。

3 仿真结果

通过计算机仿真中的蒙特卡罗方法评估所提出MAC协议的性能。利用基于IEEE 802.11 DFC机制的竞争算法来分析所提出MAC协议的接入性能。根据DCF机制，认知通过发送RTS/CTS等控制信息来尝试接入信道。在竞争期内，当且仅当只有一个认知发送控制信息竞争信道，则这个竞争期可以定义为成功。否则，定义这个竞争期为失败(如果多余一个用户发送控制信息，则控制信息将会碰撞)。在仿真评估中，所采用的参数如表1所示。

表1 仿真所采用参数

采用归一化参数授权信道的利用率代表图2中的授权信道的频谱占用度，即授权信道利用率越高，频谱占用度越高，反之亦然。

图5给出了随着认知用户数目增加，认知用户的饱和吞吐量。

图5 认知用户饱和吞吐量

可以看出，随着认知用户数目的增加，饱和吞吐量逐渐线性增加。当授权用户的数目等于授权信道的数目时，吞吐量达到最大。此外，当认知用户数目大于授权信道数目时，吞吐量保持恒定。这种现象可以解释为：根据所提出的MAC协议，认知用户需要通过竞争接入空闲的授权信道。尽管认知用户数目逐渐增加，由于能够接入的授权信道数目维持不变，因此认知用户的饱和吞吐量维持不变。另外，授权信道的利用率越高(η越大)，饱和吞吐率越低。这是因为当授权用户越频繁使用授权信道时认知用户能够利用空闲信道的机会就越小，从而导致吞吐率的下降。

图6描绘了认知用户的接入时延与授权信道利用率之间的关系。其中分别考虑了授权用户数等于8和20的两种情况。可以看出，当授权信道利用率较低时即η取值较小时，认知用户能够有效的接入尚未使用的授权信道。另外，可以看出随着信道利用率的逐渐增加，授权用户开始越来越频繁的使用信道，认知用户能够检测到空闲信道的概率降低，从而使得能够使用的空闲信道逐渐减少，因此导致接入时延的增加。当用户数目多余信道数时(U=20)，可以观察到接入时延的随着信道利用率的变化更为明显。

图6 认知用户接入时延

综合图5和图6中的仿真结果可以看出，所提出的MAC协议能够充分的利用授权频段的侦听结果，高效接入空闲授权频谱，从而有效提升授权频段的频谱利用率。

4 结束语

提出了一种适用于698～806MHz频段的认知MAC协议。综合地考虑了广播系统与认知系统共存场景下的认知用户接入问题。仿真结果表明，所提出的MAC协议以分布式的方式对授权信道的侦听，认知用户之间能够以协调的方式共享信道侦听结果，并采用基于竞争的方式接入的空闲授权信道，从而提高授权频段的频谱利用率，提升系统的整体性能。

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[责任编辑:祝剑]

A cognitive radio based MAC protocol for Band 689～806 MHz

JIANG Fan, ZHANG Xiaoyan, GUAN Lu, LU Guangyue

(School of Communications and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121,China)

A cognitive radio based MAC protocol for 698～806MHz is presented in this paper to address user access issues in the environment where the broadcast system and cognitive radio system coexist. In this proposed scheme, the authorized bands is sensed in a distributed way, and the spectrum sensing information can be shared coordinately among secondary users. The unused authorized bands can be accessed by secondary users effectively in a competitive manner. Monte Carlo simulation method is used for scheme evaluation. Simulation results show that compared with the traditional algorithm, the proposed protocol can efficiently improve spectrum utilization rate in authorized frequency bands and therefore improve system performance.

cognitive radio network, dynamic spectrum sharing, 689～806 MHz, medium access control

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.002

2014-03-27

陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2011JK8027)；陕西省教育厅科学研究计划基金资助项目(2013JK1064)；工信部通信软科学基金资助项目(2014R33)

江帆(1982-)，女，博士，副教授，从事下一代无线网络关键技术研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn 张晓燕(1973-)，女，硕士，副教授，从事宽带无线通信研究。E-mail: zxy@xupt.edu.cn

TN929.52

A

2095-6533(2014)05-0005-05